王俐聰， 楊曉明， 丁 勇， 劉永杰

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

一種寬頻帶低插損的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

王俐聰， 楊曉明， 丁 勇， 劉永杰

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

設(shè)計(jì)了一種寬頻帶低插損的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器，并基于射頻軟件CST進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，測(cè)試值和仿真結(jié)果吻合。頻率范圍覆蓋13 GHz～17 GHz，插入損耗小于0.4 dB，帶內(nèi)插入損耗紋波小于0.3 dB，回波損耗大于23 dB。

波導(dǎo)； 微帶線； 探針； 仿真； 優(yōu)化

0 引言

在微波電路及系統(tǒng)中有兩種常見的傳輸形式，一種是矩形波導(dǎo)，另一種是微帶傳輸線。微波收發(fā)組件的端口和天線的端口常常采用波導(dǎo)形式；微帶傳輸線是微波固態(tài)電路中的主要傳輸形式，因具有體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用；如何在二者之間實(shí)現(xiàn)低損耗過渡轉(zhuǎn)換就顯得尤為重要。

工程應(yīng)用中，常見的波導(dǎo)-微帶過渡轉(zhuǎn)換技術(shù)有三種，分別為探針過渡、脊波導(dǎo)過渡和槽線過渡。

本文研究的是第一種過渡轉(zhuǎn)換技術(shù)，將微帶傳輸線延伸插入到波導(dǎo)腔內(nèi)，形成探針，矩形波導(dǎo)腔內(nèi)的能量耦合到探針上，從而實(shí)現(xiàn)兩種微波傳輸形式的轉(zhuǎn)換。

文中分析了波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的微波特性，設(shè)計(jì)了13 GHz～17 GHz的寬頻帶波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器，并利用射頻軟件CST進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。

1 特性分析與設(shè)計(jì)考慮

矩形波導(dǎo)與微帶傳輸線之間的轉(zhuǎn)換理論，基于電磁波在不同媒介(如矩形波導(dǎo)和微帶傳輸線)中的傳輸理論和阻抗變換理論。

矩形波導(dǎo)的橫截面為矩形，如圖1所示。

圖1中，x和y分別為直角坐標(biāo)系的兩根軸線，z為電磁波的傳輸方向，a和b分別為矩形波導(dǎo)的寬邊長(zhǎng)度和窄邊長(zhǎng)度。

矩形波導(dǎo)中只存在TE波或TM波，電場(chǎng)分布隨時(shí)間和空間周期變化，本文只考慮傳輸TE10波的情況，圖2是TE10波的瞬時(shí)電場(chǎng)分布圖。

圖2中，由參數(shù)a、b和工作頻率f可以計(jì)算得到真空波長(zhǎng)、波導(dǎo)波長(zhǎng)以及矩形波導(dǎo)的阻抗。

微帶傳輸線是常見的微波傳輸媒介[1]，如圖3所示。

圖3中，H是介質(zhì)層的厚度,h是帶線的金屬層厚度，W1是帶線的金屬層寬度，εr是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。由參數(shù)H、t、W1、εr和工作頻率f決定微帶線的阻抗。

微帶線可以看作由雙線傳輸線演變而來(lái)，傳輸?shù)碾姶挪闇?zhǔn)TEM波，近似于TEM波，其電場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4中，微帶線中填充有兩種介質(zhì)，介質(zhì)基片和空氣介質(zhì)，其電場(chǎng)分布主要集中在介質(zhì)基片中，而空氣中的電場(chǎng)比較弱。

為了把如圖2所示的矩形波導(dǎo)中的微波能量耦合到如圖4所示的微帶線上，須將微帶線沿著波導(dǎo)寬邊中心線的方向插入到波導(dǎo)腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度最大處。波導(dǎo)腔的內(nèi)壁在安裝微波探針的地方設(shè)置一個(gè)臺(tái)階，為安裝探針提供定位，如圖5所示。

圖5中，l為探針到波導(dǎo)短路面的距離，d為探針伸入到波導(dǎo)腔內(nèi)的深度。

由于矩形波導(dǎo)的阻抗和微帶線的阻抗差值較大，為了避免因二者阻抗失配而引起的嚴(yán)重反射，所以必須在波導(dǎo)和微帶線間設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗變換器。

波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的本質(zhì)就是一個(gè)阻抗變換器，根據(jù)阻抗變換理論，有

(1)

式中：Zin為探針的阻抗；Z01為矩形波導(dǎo)的阻抗；Z02為微帶線的阻抗。

對(duì)于矩形波導(dǎo)，其等效特性阻抗為

(2)

式中：λ為真空波長(zhǎng)；λg為波導(dǎo)波長(zhǎng)。

(3)

(4)

對(duì)于微帶探針，其末端電流為零，電磁波在傳輸方向上以正弦波的形式分布，其底部的輸入阻抗為[2]

(5)

式中：Rin和Xin分別為輸入電阻和輸入電抗。

在TE10模式下的輸入電阻Rin和輸入電抗Xin分別為

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可以看出，Rin和Xin隨探針到短路面的距離l和探針插入波導(dǎo)的深度d的變化而變化。根據(jù)式(1)可以看出，通過調(diào)整Rin使其滿足波導(dǎo)和傳輸線的匹配，通過調(diào)整Xin以抵消激勵(lì)高次模的電抗，使探針在波導(dǎo)腔內(nèi)處于最大電壓處，即電場(chǎng)最強(qiáng)的波腹位置。

在無(wú)限長(zhǎng)的矩形波導(dǎo)中，電磁波是均勻傳輸?shù)?，而在轉(zhuǎn)換器中存在短路面，電磁波在此處發(fā)生反射，正、反方向的電磁波疊加形成波節(jié)，波節(jié)間距為λ/2，當(dāng)取探針到短路面的距離l為λ/4時(shí)，則探針處于電場(chǎng)最強(qiáng)處，此時(shí)電磁波的傳輸效率最大[3]。

2 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的仿真設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一種寬頻帶低插損的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器，工作頻率覆蓋13 GHz～17 GHz，插入損耗小于0.4 dB，帶內(nèi)插損波動(dòng)小于0.3 dB，回波損耗大于23 dB，輸入端口和輸出端口的駐波比小于1.5。

2.2 設(shè)計(jì)建模與仿真優(yōu)化

(1) 建立電路模型

圖5中的探針帶線呈現(xiàn)容性電抗，須設(shè)計(jì)一段感抗帶線以抵消其電容效應(yīng)[4]，因此將轉(zhuǎn)換器改進(jìn)為兩階變換結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6中，Xd和XW0分別為感抗帶線的長(zhǎng)度和寬度，感抗帶線很好地改善了波導(dǎo)與微帶線之間的阻抗匹配，使得插損變小，工作頻帶增寬。

轉(zhuǎn)換器的中心頻率為15 GHz，矩形波導(dǎo)的寬邊a為21.5 mm，窄邊b為3.5 mm。將a=21.5mm和b=3.5mm代入式(2)和式(3)，得到真空波長(zhǎng)λ=21.43 mm，波導(dǎo)波長(zhǎng)λg=24.72 mm，則有λg/4=6.18 mm，將其代入式(1)中得到矩形波導(dǎo)的阻抗為Z01=434.87 Ω。

傳輸微帶線的基板材料選用Rogers RT/Duroid 5880，厚度H為0.254 mm，介電常數(shù)εr為2.22，帶線金屬層厚度h為0.018 mm，可計(jì)算得到微帶線的特性阻抗為Z02=50 Ω時(shí)的帶線寬度W1為0.37 mm。

根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到探針的阻抗為147.3 Ω，代入到式(6)和式(7)中，可以計(jì)算得到探針插入波導(dǎo)腔的深度d為2.18 mm，探針帶線的寬度W0為3.1 mm。

圖6的轉(zhuǎn)換器為兩階變換結(jié)構(gòu)，各初始值分別取：探針底端帶線長(zhǎng)度d為0.86 mm，其寬度W0為3.1 mm，感抗帶線長(zhǎng)度Xd為1.32 mm，寬度XW0為0.30 mm，探針距離短路面的長(zhǎng)度l為6.18 mm。

(2) 仿真與優(yōu)化

按初始值設(shè)置探針的各個(gè)參數(shù)，并利用軟件CST進(jìn)行仿真，得到轉(zhuǎn)換器的S參數(shù)曲線如圖7所示。

圖7中，轉(zhuǎn)換器的插入損耗S21小于0.7 dB，回波損耗S11大于11 dB，性能較差。

在仿真過程中，發(fā)現(xiàn)探針底端帶線的寬度、長(zhǎng)度以及探針到波導(dǎo)短路面的距離這三個(gè)參數(shù)對(duì)于S參數(shù)曲線的影響較大，對(duì)其進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化和對(duì)比優(yōu)化后，微帶探針長(zhǎng)度d為0.82 mm，寬度W0為2.8 mm，感抗帶線長(zhǎng)度Xd為1.9 mm，寬度XW0為0.38 mm，探針距短路面的長(zhǎng)度l為6.24 mm，其S參數(shù)的最終優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。

圖8中，轉(zhuǎn)換器的插入損耗S21小于0.2 dB，回波損耗S11大于25 dB，較圖7中的仿真曲線有明顯的改善。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，利用軟件AUTOCAD 2010繪制版圖如圖9所示，并按圖10所示的方式實(shí)現(xiàn)。

通過圖10所示的方式實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器密封性好，可靠性高，具有良好的重復(fù)性和一致性。

在13 GHz～17 GHz頻率范圍內(nèi)，測(cè)得轉(zhuǎn)換器的插入損耗不大于0.2 dB，帶內(nèi)的插損波動(dòng)不大于0.2 dB，回波損耗大于25 dB，輸入端口和輸出端口的駐波比都小于1.2，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文分析了波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的微波特性，利用電磁波在矩形波導(dǎo)和微帶傳輸線中的傳輸理論以及阻抗變換理論，設(shè)計(jì)了一種寬頻帶低插損的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器。最后基于射頻軟件CST進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值和設(shè)計(jì)仿真結(jié)果相吻合。

[1] 顧繼慧.微波技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社， 2004:85-106.

[2] Yoke-Choy Leong, Sander Weinreb. Full Band Waveguide-to-microstrip Probe Transitions[J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig, 1999:1435-1438.

[3] Heuven J H C. A New Integrated Waveguide-microstrip Transition[J]. IEEE Trans.Microwave Theory Tech, 1976,(3):144-147.

[4] Yi-chi Shih, Thuy-Nhung Ton, Long Q Bui. Waveguide-to-microstrip Transitions for Millineter-wave Applications[J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp Dig, 1988:473-475.

Design of a Kind of Waveguide-to-microstrip Transition with the Wider Bandwidth and the Lower Insertion Loss

WANGLi-cong，YANGXiao-ming，DINGYong，LIUYong-jie

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

A kind of waveguide-to-microstrip transition with the wider bandwidth and the lower insertion loss is designed, and based on the RF software CST, it simulates and optimizes. In the experiment, the test data are in agreement with the simuation results. For a frequency band from 13 GHz to 17 GHz, the insertion loss is below 0.4 dB, and the wave ripple is below 0.3 dB, and the return loss is above 23 dB.

waveguide； microstrip； probe； simulation； optimization

1671-0576(2017)01-0024-05

2016-01-03

上海航天創(chuàng)新基金項(xiàng)目，編號(hào)SAST20150604。

王俐聰(1982-)，女，工程師；楊曉明(1978-)，男，高級(jí)工程師，均從事微波毫米電路與系統(tǒng)研制技術(shù)研究。

TN817

A